Nghiên cứu ứng dụng hệ thống cad

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

\ [

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CAD/CAE
TRONG THIẾT KẾ MÁY
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD : PGS.TS. NGUYỄN HỮU LỘC
HVTH : KS. NGUYỄN VĂN THÔNG
MSHV : 00405077

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2007


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cán bộ chấm nhận xét 1:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caùn bộ chấm nhận xét 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng …… năm 2007.


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 10 tháng 07 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN VĂN THÔNG

Giới tính : Nam / Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 27 – 04 – 1980

Nơi sinh : TP.Hồ Chí Minh.

Chun ngành : Công nghệ chế tạo máy
Khố (Năm trúng tuyển) : 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CAD/CAE

TRONG THIẾT KẾ MÁY
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
a. Nghiên cứu quá trình thiết kế máy với sự ứng dụng các hệ thống CAD/CAE, trao đổi
dữ liệu và quản lý dữ liệu.
b. Sử dụng các hệ thống CAD/CAE (Unigraphic,Inventor, Ansys. . .).
c. Áp dụng CAD/CAE trong thiết kế máy hàn SP2.
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................

..........................................................................
........................................................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/02/2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/07/2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):
PGS.TS. NGUYỄN HỮU LỘC
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

NGUYỄN HỮU LỘC

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

TRẦN DOÃN SƠN


Lời cảm tạ
Xin chân thành cảm ơn:
PGS.TS. Nguyễn Hữu Lộc đã giảng dạy và hướng dẫn làm Luận
văn tốt nghiệp.
Q Thầy, Cô phản biện.
Q Thầy, Cô đã giảng dạy Lớp Cao học Chế tạo máy Khóa 2005.
Q Thầy, Cô Khoa Cơ khí và Phòng quản lý Khoa học – Sau
Đại học Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
Các Học viên Lớp Cao học Chế tạo máy Khóa 2005.
Thư viện Kỹ Thuật Tổng Hợp.
Ban Giám hiệu cùng các bạn bè

Gia đình cha, mẹ, anh em và bạn bè . . .
Đã động viên, giúp đỡ tôi trong học tập, nghiên cứu và hoàn
thành Luận văn Thạc só này.
Thành phố Hồ Chí Minh,
ngày 10 tháng 07 năm 2007

Nguyễn Văn Thoâng


5

TÓM TẮT

TÓM TẮT
Ngày nay, với sự phát triển của của thị trường toàn cầu đòi hỏi các công ty
sản xuất có thể cạnh tranh được thì cần phải: cải tiến chất lượng sản phẩm, giảm
chi phí sản xuất và thời gian phát triển sản phẩm. Các công cụ mới trở nên hữu
ích để giảm thời gian thiết kế trong chu kỳ phát triển sản phẩm. Đặc biệt, các
công cụ mô phỏng dùng để tiết kiệm thời gian và chi phí trong giai đoạn thử
nghiệm.
Phát triển sản phẩm theo phương pháp truyền thống được thực hiện bởi việc
thiết kế, tạo mẫu, thiết kế lại và thử nghiệm, công việc này được thực hiện lặp
lại cho tới khi đạt được hiệu quả. Ứng dụng hệ thống CAD/CAE tạo sự phản hồi
trong giai đoạn thiết kế tạo ta sự hiệu quả trong thời gian phát triển sản phẩm.
Mô hình 3D trên máy tính có thể thực hiện dễ dàng trong quá trình thiết kế,
và có thể tự động tính toán thể tích và khối lượng. Mô hình 3D còn có thể dùng
để mô phỏng lắp ráp, cũng như thực hiện quá trình phân tích và động lực học.
Hệ thống CAD/CAE giúp cho các công ty giảm thời gian nhân công và chi phí
phát triển sản phẩm.

SUMMARY
Today’s fast-paced economy and complex global market has made it difficult
for manufacturing companies to maintain their competitive edge as: improve
Product quality, reduce product cost and development time. Recently new tools
have become available to make singnifcant reductions in the product
deveplopment cycle. Specifically, simulation tools are becoming very useful for
saving time in the design-build-test phase of product development.
Traditional product development would create a design, prototype that design,
and test it for failures, then repeat the process until the performance was
acceptable. A new developed process combine CAD, CAE simulation tools to
create an interactive feedback loop in the front of product developmant to
significantly reduce development time.
The advantages of 3D computer modeling include: the ability to easily
visualize the three-dimensional from of design: the ability to automatically
compute physical properties such as mass and volume. 3D computer models can
also be used to detect geometric interferance among parts, and are the underling
representation for more focused analyses of, for example, kinetmatics or stress.
Virtual prototyping tools with combined links between CAD, CAE can help
company to reduces man hours and cost of development.


5

MỤC LỤC

MỤC LỤC
Lời cảm tạ

4

Tóm tắt

5

Mục lục

6

Các kí hiệu sử dụng khi viết tắt

10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU

11

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

11

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

12

1.4 QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
TRONG MỘT CHU KỲ SẢN PHẨM

14

CHƯƠNG II: VAI TRÒ CỦA CÁC HỆ THỐNG CAD/CAE
TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ
2.1 ĐỊNH NGHĨA

18

2.2 SỬ DỤNG HỆ THỐNG CAD/CAE TRONG QUÁ TRÌNH
THIẾT KẾ SẢN PHẨM

20

2.2.1 Quá trình thiết kế mẫu thủ công

20

2.2.2 Quátrình thiết kế mẫu ảo (không sử dụng CAE)

21

2.2.3 Quá trình thiết kế mẫu ảo (cóù sử dụng CAE )

22


6

MỤC LỤC

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VỚI SỰ TR GIÚP CỦA MÁY TÍNH
3.1 NHỮNG CƠ SỞ CỦA CAD

24

3.1.1 Lợi ích của CAD

24

3.1.2 Ứng dụng máy tính vào công tác thiết kế

25

3.2 KHẢ NĂNG LẮP RÁP MÔ HÌNH HÌNH HỌC

27

3.2.1 Đặc tính thiết kế

28

3.2.2 Đơn giản hóa quá trình lắp ráp

29

CHƯƠNG III: KỸ THUẬT VỚI SỰ TR GIÚP CỦA MÁY TÍNH
4.1 MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHÂN TÍCH

30

4.1.1 Xác định thành phần phân tích

31

4.1.2 Các bước phân tích

32

4.2 QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH CỦA CÁC PHẦN MỀM

34

4.2.1 Ứng dụng phầm mềm Solidworks

35

4.2.2 Ứng dụng phầm mềm Unigraphics

35

4.2.3 Ứng dụng phầm mềm Ansys Workbench

36

4.2.4 Phân tích cụm chi tiết bằng phần mềm Ansys Workbench

37

4.3 TỐI ƯU HÓA

38

4.3.1 Tối ưu kích thước

39

4.3.2 Tối ưu hình dáng

40


7

4.3.3 Tối ưu hình học tôpô

MỤC LỤC

40

4.4 THIẾT KẾ TỐI ƯU BẰNG ANSYS WORKBENCH

41

4.5 DIỄN HOẠT MÁY TÍNH VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC

41

4.5.1 Diễn hoạt máy tính

42

4.5.2 Mô phỏng động học

43

4.5.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng

43

4.5.2.2 Lắp ráp mô hình mô phỏng

44

4.5.2.3 Mô phỏng động học

44

4.5.2.4 Xem xét kết quả mô phỏng

45

CHƯƠNG V: QUẢN LÝ DỮ LIỆU VÀ TRAO ĐỔI DỮ LIỆU
5.1 TIÊU CHUẨN GIAO TIẾP GIỮA NHIỀU HỆ THỐNG

49

5.1.1 Những phương pháp chuyển đổi dữ liệu sản xuất

49

5.1.2 File IGES

51

5.1.3 File STEP

53

5.1.4) File STEP-NC

55

5.2 CHUYỂN ĐỔI DỮ LIỆU GIỮA CÁC PHẦN MỀM

57

5.2.1 File trung gian DXF, DWG, SAT

59

5.2.2 File trung gian STEP và IGES

61

5.2.3 Phương pháp phần mềm trung gian

62


8

5.3 QUẢN LÝ DỮ LIỆU SẢN PHẨM

MỤC LỤC

63

CHƯƠNG VI: CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG
CAD/ CAE TRONG THIẾT KẾ MÁY HÀN SP2
6.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
6.1.1 Mô tả sản phẩm gia công và bài toán thiết kế

65
65

6.1.1.1 Mô tả sản phẩm

65

6.1.1.2 Phát biểu bài toán thiết kế

65

6.1.2 Xác định các yêu cầu kỹ thuật của bài toán thiết kế

66

6.1.2.1 Thiết lập các đặc tính kỹ thuật chính

66

6.1.2.2 Lược lại các đặc tính kỹ thuật

66

6.1.3 Ý tưởng cho bài toán thiết kế

67

6.1.3.1 Cơ cấu kẹp ống

67

6.1.3.2 Cơ cấu truyền động

68

6.1.3.3 Cụm chi tiết điều chỉnh đầu hàn

69

6.1.4 Chọn lựa ý tưởng

69

6.1.5 Thiết kế cấu trúc và hệ thống

70

6.1.6 Tính toán và phân tích lực

69

6.1.7 Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền

72


9

6.2 THIẾT KẾ VỚI SỰ HỖ TR CỦA CÁC HỆ THỐNG CAD/CAE
6.2.1 Tính toán và thiết kế bộ truyền đai

MỤC LỤC

72
73

6.2.2 Tính toán và thiết kế trục chính

74

6.2.3 Tính toán và thiết kế ổ lăn của trục chính

75

6.2.4 Kiểm tra ứng suất và chuyển vị của trục con lăn

76

6.2.5 Tính toán và thiết kế ổ lăn của con lăn

76

6.2.6 Kiểm tra ứng suất tác dụng lên ống SP2

77

6.2.7 Kiểm tra ứng suất và chuyển vị của bàn máy

77

6.2.8 Tối ưu hoá đồ gá con lăn

78

6.2.9 Diễn hoạt máy tính

79

Kết luận

81

Tài liệu tham khảo

82

Lý lịch trích ngang

86

10

KÍ HIỆU

CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG KHI VIẾT TẮT
APT (Automatically Programed Tool): Công cụ chương trình tự động.
CAD (Computer Aided Design): Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính điện tử.
CAE (Computer Aided Engineering): Kỹ thuật với sự trợ giúp của máy tính.
CAM (Computer Aided Manufacturing): Gia công với sự trợ giúp của máy tính.
CADD(Computer Aided Design Draughting):Máy tính hỗ trợ phác thảo thiết kế.
DXF (Drawing interchange format): Định dạng chuyển đổi bản vẽ.
FEM (Finite Element Modeling): Mô hình phần tử hữu hạn.
GD&T (Geometric Tolerance and Dimension): Kích thước và dung sai hình học.
IGES (Initial graphics exchange specification):
Đặc điểm kỹ thuật chuyển đổi hình học ban đầu.
ISO (International Standard Organiration): Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hoá
PDM (Produt Data Management): Quản lý dữ liệu sản phẩm.
STEP (Standard for the exchange of product model data):
Dữ liệu mô hình sản phẩm chuyển đổi tiêu chuẩn.
STEP-NC (Standard for the exchange of product model data-Numerical control)
Dữ liệu mô hình sản phẩm chuyển đổi tiêu chuẩn- Điều khiển số.
TOPOLOGY: Ngành học nghiên cứu các tính chất không bị ảnh hưởng bởi
hình dáng và kích thước.


11

CHƯƠNG I

Chương I: TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
Việc ứng dụng ứng dụng công nghệ CAD/CAE trong thiết kế máy đã trở
thành một trong những yếu tố công nghệ quan trọng tạo nên sự tăng trưởng và
khởi sắc cho các ngành công nghiệp. Và cho đến nay, với sự phát triển của hệ
thống máy tính, hệ thống CAD/CAE đã khẳng định vai trò trong công nghệ thiết
kế và phân tích.
Nền công nghiệp ngày nay với sự cạnh tranh sống còn nếu chúng ta không
giới thiệu sản phẩm mới với chất lượng tốt hơn, giá thấp, và thời gian sản xuất
ngắn hơn. Do đó, chúng ta cố gắng sử dụng máy tính với bộ nhớ lớn, tốc độ
nhanh để hỗ trợ cho quá trình thiết kế (CAD), hỗ trợ kỹ thuật (CAE) là những kỹ
thuật sử dụng trong suốt quá trình thiết kế.
1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lónh vực đồ họa là dự án
triển khai ngôn ngữ APT (Automatically Programed Tool) tại học viện công
nghệ Massachusetts vào giữa thâäp kỉ 50. Một ý tưởng khác ra đời vào cuối thập
kỉ 50 có tên là “Bút quang”, dụng cụ dụng để vẽ hình ảnh trực tiếp lên màn hình
và giúp cho CPU nhận biết vị trí cụ thể của màn hình vừa được bút quang tiếp
xúc.
Năm 1962 sự xuất hiện và phát triển hệ thống SKETCHPAD của Ivan
Sutherland được coi là mở đầu của CAD và chỉ thực hiện được các bản vẽ hai
chiều. Hệ thống SKEYCHPAD được phát triển sau đó bởi T.E. Johnson, cho
phép thể hiện các mô hình 3D.
Năm 1966 Clough đã sử dụng phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất của bề
mặt.
Những năm 1960 đến 1970 CAD tiếp tục phát triển mạnh, hệ thống CAD có
tên là TURNKEY được thương mại hóa, đây là một hệ thống hoàn chỉnh bao
gồm phần cứng, phần mềm, bảo trì và đào tạo, hệ thống này được thiết kế chạy
trên máy tính lớn có bộ nhớ khổng lồ và máy tính loại nhỏ. Tuy nhiên khả năng
xử lý thông tin còn kém hiệu quả, giá thành cao và được sử dụng trong một số ít

lónh vực.
Năm 1980 hình học ba chiều thực hiện trên máy tính ởø trường đại học Cornell.
Unigraphics được giới thiệu như hệ thống đầu tiên.
Năm 1980 thiết kế mô hình 3D solid đầu tiên ra đời, cùng thời điểm đó hãng
Autodesk cũng cho ra đời phần mềm AutoCAD (1982).


12

CHƯƠNG I

Ngoài ra, vào những năm 1980 phát triển tiêu chuẩn trao đổi dữ liệu giữa các
phần mềm có tính đa dụng, cho nên các phần mềm mô hình hóa phát triển nhanh
chóng.
Năm 1982 CATIA phiên bản đầu tiên dùng để thiết kế mô hình 3D, mô hình
bề mặt và chương trình NC.
Năm 1988 Tập đoàn Surfware đưa ra thị trường phiên bản đầu tiên SurfCAM
như là một trong những hệ thống phần mềm CAD/CAM.
Năm 1989 Parametric Technology giới thiệu phiên bản đầu tiên Pro/Engineer.
Năm 1996 Solid Edge phiên bản thứ ba ra đời. Công ty SolidWorks đưa ra gói
phần mềm 3D.
Năm 1997 Autodesk giới thiệu phần mềm 3D Studio MAX.
Năm 1998 Autodesk Architectural Desktop.
Cuối những năm 1990 là thời kỳ CAD/CAM đạt đến những thành tựu đáng kể
, rất nhiều phần mềm được tung ra thị trường và được ứng dụng rộng rãi trong
thiết kế và sản xuất của nhiều ngành công nghiệp như: CIMATRON của Israel,
DELCAM của Anh, Pro-Engineer của Mỹ, Unigraphics của Mỹ…
Phần mềm CAE xuất hiện sau CAD/CAM, khi mà những đòi hỏi về chất
lượng của sản phẩm rất cao như: Ansys, Nastran, Abaqus, Cosmos…
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Các thập kỷ 60,70,80 là thời kỳ CAD/CAM phát triển mạnh mẽ và bước sang
thế kỷ XXI khó có một doanh nghiệp nào vượt qua những thử thách của nền kinh
tế toàn cầu hóa mà không ứng dụng có hiệu quả công nghệ CAD/CAE.
Ứng dụng hệ thống CAD/CAE trong quá trình thiết kế trên thế giới đã được
ứng dụng trong nhiều lónh vực như: các công ty sản suất ô tô hay chế tạo máy
bay Boeing.v.v .Bên cạnh việc thiết kế mô hình các công ty này còn áp dụng các
quá trình phân tích động lực học, khí động học và tối ưu hoá trong thiết kế.

Hình 1.1: Mô hình cấu cấu tạo ôtô và mô hình máy bay Boeing 777 [11]


13

CHƯƠNG I

Năm 1992 phát triển mô phỏng và tạo môi trường ảo.
Năm 2000 nhóm nghiên cứu Peter Schneider- Erich Huck- Sven Reitz mô
phỏng tối ưu hệ thống Micro.
Năm 2004 trường đại học State sử dụng kỹ thuật ảo để tạo mô hình dòng chảy
khí.
Một số nghiên cứu hiện nay trên thế giới:
Tạo mặt lưới tương thích giữa các bề mặt tiếp xúc của các chi tiết lắp ráp
trong quá trình phân tích và tăng chất lượng lưới phần tử hữu hạn của Hideaki
Ozaki.
Dự án mở rộng thể hiện mô hình khí động học và phát triển kỷ thuật ảo cho
mô hình dòng chảy khí của Kevin L.Kenney.
Ở nước ta việc ứng dụng máy tính vào lónh vực thiết kế và quản lý sản xuất
chế tạo chậâm hơn so với các nước trong khu vực và thế giới.
Năm 1995 một số doanh nghiệp đã sử dụng phần mềm Cimatron trong thiết
kế và gia công.

Năm1996 xí nghiệp liên hiệp nhà máy Sinco sử dụng phần mềm Vector Cad
để tạo mô hình và chuyển sang chương trình số NC.
Năm 1999 công trình nghiên cứu “Xây dựng phương pháp thiết kế công nghệ
gia công chi tiết cơ khí theo hướng linh hoạt, ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM” của
Võ Thanh Bình.
Ngày nay, hệ thống CAD được ứng dụng mạnh mẽ trong việc mô phỏng mô
hình hoá, nhưng hệ thống CAE chưa được người thiết kế sử dụng nhiều trong quá
trình thiết kế.
Sự phát triển của hệ thống máy tính, công nghệ CAD/CAE đã khẳng định vai
trò trong công nghệ thiết kế và phân tích như là một nhân tố sáng tạo, làm tăng
năng suất lao động, giảm cường độ lao động bởi các giải pháp tự động hóa quá
trình thiết kế.


CHƯƠNG I

14

1.4) QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRONG MỘT CHU KỲ SẢN
PHẨM
Định dạng thiết
kế các chỉ tiêu
và yêu cầu

Nhu cầu
thiết kế

Phân tích
thiết kế

Thu thập các thông
tin thiết kế có liên
quan và nghiên cứu

Lập mô hình mô
phỏng thiết kế

Thiết kế
sơ bộ

Đánh giá
thiết kế

Lập thông tin và
tư liệu thiết kế

Tối ưu hóa
thiết kế

CAD/CAE

Xây dựng sản xuất và
năng lực sản xuất
Thiết kế và mua dụng
cụ mới

Xây dựng qui
trình công nghệ

Xác định nhu cầu

nguyên vật liệu
Lập trình NC,
CNC,DNC

Sản xuất

Kiểm soát
chất lượng
Thị trường

Đóng gói,
dán nhãn

Vận chuyển

Hình 1.2: Quá trình thiết kế và chế tạo trong một chu trình sản phẩm [8]


15

CHƯƠNG I

Sản phẩm ban đầu từ nhu cầu nào đó, nhu cầu này được nhận biết trên cơ sở
nhu cầu của thị trường và khách hàng.
Sản phẩm phải trải qua 3 quá trình cơ bản:
™ Thiết kế.
™ Phân tích.
™ Chế tạo.
Quá trình thiết kế là quá trình thiết kế sơ bộ cho sản phẩm tiềm năng được
đưa ra. Điển hình là ta phải xây dựng những bản vẽ phác thảo, sơ đồ phác thảo,

chỉ ra các mối quan hệ chức năng giữa các bộ phận khác nhau của sản phẩm
cũng như điều kiện ràng buộc bao quanh, chúng dùng trong các cuộc thảo luận
giữa các nhóm thiết kế và được sử dụng cho mục đích trình bày.
Quá trình phân tích được bắt đầu bằng việc đưa thiết kế sơ bộ vào tính toán
đánh giá. Quá trình này là thành tố cấu thành của bước lắp mô hình thiết kế.
Chất lïng và kết quả của các bước tiếp theo như phân tích thiết kế, tối ưu hóa
thiết kế đánh giá thiết kế có liên quan trực tiếp và nằm trong giới hạn chất lượng
của mô hình thiết kế được lựa chọn. Để đưa ra quyết định nhanh chóng và chính
xác việc áp dụng máy tính là giải pháp hữu hiệu, ở đó các thuật toán phân tích
và thuật toán tối ưu được áp dụng. Mặc dù quá trình tối ưu hóa thiết kế được đưa
vào quá trình phân tích thiết kế nhưng được nhận biết như một quá trình riêng
biệt, nhằm nhấn mạnh ý nghóa của nó trong quá trình thiết kế.
Khi các giai đoạn chính trong quá trình thiết kế được phân tích và kích thước
danh nghóa hoàn toàn được xác định, quá trình đánh giá thiết kế được triển khai.
Các mẫu sản phẩm sẽ được xác định trong phòng thí nghiệm hoặc ở trong máy
tính để phục vụ cho việc kiểm tra và đánh giá thiết kế. Thông thường các mẫu
thiết kế được mô hình hóa thông qua máy tính vì đây là giải pháp rẻ tiền và
được tạo ra nhanh hơn. Qua các mẫu thiết kế này, người thiết kế sẽ xác định
được các kích thước còn lại của chi tiết (Những kích thước mà không được phân
tích), cũng như đưa ra kết luận và đánh giá cuối cùng cho những vấn đề nảy sinh
trong quá trình phân tích thông qua việc áp dụng các qui luật và các qui tắc
chung của thiết kế. Song song với quá trình này người thiết kế phải đưa ra được
phiếu vật tư của sản phẩm các dung sai của chi tiết và các phân tích về chi phí.
Bước cuối cùng của quá trình phân tích đó là lập thông tin và tư liệu thiết kế,
bước này liên quan đến việc chuẩn bị các bản vẽ, các báo cáo và trình bày. Các
bản vẽ chi tiết này sẽ được sử dụng để đưa ra các bản vẽ thiết kế và công việc
cuối cùng là chuyển bản vẽ thiết kế tới người chế tạo.
Quá trình chế tạo bắt đầu bắt đầu bằng việc xây dựng qui trình công nghệ và
kết thúc bằng sản phẩm thực tế. Xây dựng qui trình công nghệ được xem như là
mạch xương sống của quá trình chế tạo. Vì nó qui định một trình tự hiệu quả

16

CHƯƠNG I

nhất để chế tạo sản phẩm, người lập qui trình công nghệ phải nhận thức được
những khía cạnh khác nhau và những ràng buộc của hệ thống chế tạo. Đầu ra
của quá trình xây dựng qui trình công nghệ là sơ đồ sản xuất hay sơ đồ công
nghệ (phiếu công nghệ), phiếu dụng cụ, phiếu nguyên vật liệu và chương trình
gia công trên máy. Các đòi hỏi đặc biệt khác nhau như thiết kế bàn kẹp và đồ gá
cũng được xây dựng.
Quá trình xây dựng qui trình công nghệ đối với chế tạo chi tiết cơ khí cũng
tương tự như quá trình tổng hợp đối với quá trình thiết kế, nó liên quan tới kinh
nghiệm và những tích chất mang tính định tính của con người. Điều này trở ngại
cho việc máy tính hóa công việc. Tuy nhiên, việc xây dựng qui trình công nghệ
có sự hỗ trợ của máy tính đã đạt được những bước tiến bộ đáng kể.
Khi quá trình xây dựng qui trình công nghệ hoàn chỉnh việc sản xuất thực tế
sản phẩm được triển khai. Các chi tiết chế tạo phải qua khâu kiểm tra và đạt
được các yêu cầu của quá trình kiểm tra, quá trình kiểm soát chất lượng chuẩn.
Những chi tiết đạt yêu cầu sẽ được lắp ráp lại, đóng gói, dán nhãn và cuối cùng
là chuyển tới khách hàng, các thông tin của thị trường làm tăng sức cạnh tranh
của sản phẩm được tổ hợp vào trong quá trình thiết kế. Như vậy cùng với dòng
thông tin phản hồi của thị trường, kết quả của chúng ta có một chu kỳ sản phẩm
khép kín.
Trong quá trình thiết kế và chế tạo trong một chu kỳ sản phẩm, CAD/CAE
đóng một vai trò quan trọng, vì vậy cần phải xác định các công cụ cần thiết để
thực hiện tốt trong giai đoạn thiết kế.
Các bước thiết kế
Thiết kế sơ bộ

Công cụ cần thiết
Các kỹ thuật lập mô hình hình học,
các trợ giúp đồ hoạ, các thao tác đồ hoạ
Lập mô hình thiết kế
Hình động, lắp ghép,
Và mô phỏng thiết kế
các môdul lập mô hình đặc biệt
Phân tích thiết kế
Các môdul phân tích, mô phỏng động học
các chương trình và môdul chuyên dùng
Tối ưu hoá thiết kế
Các ứng dụng chuyên dùng trong tối ưu cấu trúc
Đánh giá thiết kế
Ghi kích thước, ghi dung sai
Lập phiếu vật tư
Lập thông tin
Lập bản vẽ chi tiết và chi tiết hoá các thông số
và tư liệu thiết kế
Tạo các ảnh mô hình
Hình 1.3: Quá trình thiết kế và các công cụ cần thiết


17

CHƯƠNG I

Ứng dụng các hệ thống CAD/CAE vào quá trình thiết kế là cần thiết vì nó
giúp cho nhà thiết kế chọn được công cụ, qui trình thiết kế thích hợp để thiết kế
ra các sản phẩm cơ khí vì mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời

gian đưa sản phẩm ra thị trường. Bên cạnh đó, người thiết kế cần phải có sự trao
đổi dữ liệu giữa các hệ thống CAD/CAE để có thể thực hiện việc thiết kế trên
phần mềm thích hợp trong từng giai đoạn thiết kế. Việc thực hiện phân tích trên
máy tính sẽ giảm mẫu thí nghiệm và tối ưu hoá mô hình. Ngoài ra, việc mô
phỏng trên máy tính cũng hỗ trợ rất nhiều trong quá trình thiết kế và quảng cáo.
Vì vậy, các vấn đề cần thiết phải nghiên cứu:
•
Nghiên cứu quá trình thiết kế máy với sự ứng dụng các hệ thống
CAD/CAE, trao đổi dữ liệu và quản lý dữ liệu.
•
Sử dụng và nghiên cứu các hệ thống CAD/CAE.
•
Áp dụng CAD/CAE trong thiết kế máy.


18

CHƯƠNG I

CHƯƠNG II: VAI TRÒ CỦA CÁC HỆ THỐNG CAD/CAE
TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ
2.1 GIỚI THIỆU
Cumputer Aid Design – CAD
Sử dụng hệ thống máy tính cùng với phần mềm thích hợp để trợ giúp việc
thiết lập, sửa đổi, phân tích và tối ưu hóa của việc thiết kế. Một vài chương trình
máy tính thể hiện việc đồ họa và một chương trình ứng dụng chức năng kỹ thuật
dễ dàng trong quá trình thiết kế có thể phân loại như là một phần mềm CAD.
Hầu hết nhiệm vụ cơ bản của CAD là xác định hình học của thiết kế –một chi
tiết cơ khí, một sản phẩm lắp ráp, một cấu trúc xây dựng, một mạch điện ..v.v.
Lợi ích to lớn của hệ thống CAD là chúng ta có thể tiết kiệm được thời gian và

giảm sai sót.

Hình 2.1: Mô hình lắp ráp của máy in [35]
Computer Aid Engineering –CAE
Kỹ thuật CAE bao gồm hệ thống máy tính cùng với phần mềm thích hợp có
chức năng phân tích sản phẩm được tạo ra từ CAD, cho phép người thiết kế mô
phỏng và nghiên cứu những ứng xử của sản phẩm. Vì vậy, việc thiết kế có thể
tinh lọc và tối ưu.
Những công cụ của CAE thì hữu ích cho những loại phân tích khác nhau.
Chương trình phân tích động học có thể sử dụng để xác định hướng chuyển động
và những liên kết trong cơ khí. Chương trình phân tích động lực học có thể sử
dụng để xác định tải trọng và chuyển vị của những lắp ráp phức tạp. Một trong
những giải pháp phân tích phổ biến là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.


19

CHƯƠNG I

Phương pháp tiếp cận này có thể dùng để xác định ứng suất, biến dạng,
chuyển đổi nhiệt, dòng chảy lưu chất .v.v. mà khó có thể giải quyết bằng những
phương pháp tiếp cận khác.

Hình 2.2: Mô phỏng chuyển động cơ cấu bàn nâng

Hình 2.3: Mô hình phân tích chi tiết máy
Hệ thống CAD/CAE là sự tích hợp giữa các công cụ CAD, CAE trong việc
thiết kế phân tích.

CHƯƠNG I

20

2.2 SỬ DỤNG HỆ THỐNG CAD/CAE TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ
SẢN PHẨM
Ngày nay, thị trường cạnh tranh ngày càng gay gắt, đòi hỏi các nhà sản xuất
cung cấp sản phẩm ra thị trường phải có chất lượng cao, chi phí thấp. Thời gian
cần thiết để phát triển sản phẩm sẽ xác định khả năng đáp ứng của công ty dưới
áp lực của sự cạnh tranh. Với sự phát triển của khoa học, công nghệ các công ty
sẽ càng nhanh chóng thu hồi được vốn và lợi nhuận nếu thời gian phát triển sản
phẩm càng ngắn.
2.2.1 Quá trình thiết kế mẫu thủ công
Thiết kế ý tưởng

Xây dựng mẫu ảo

Thể hiện kích thước và
mô phỏng
Không đạt
Đạt yêu cầu ?

Sửa đổi mẫu vật lý

Đạt
Sản xuất
Hình 2.4: Quá trình thiết kế mẫu thủ công
Đối với mẫu thủ công được sử dụng trong những thế kỷ trước chủ yếu dựa vào
kỹ năng phác thảo của người thiết kế và mẫu sản phẩm thường được làm bằng
gỗ, sáp được làm bằng tay và phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề ngøi thợ để tạo

được mẫu thiết kế như mong muốn. Bên cạnh đó quá trình phân tích tốn nhiều
thời gian và công sức, đặc biệt đối với những chi tiết phức tạp sẽ gặp nhiều khó
khăn. Vì vậy, các nhà sản xuất sẽ mất nhiều thời gian và chi phí trong quá trình
thiết kế sản phẩm. Điều này có thể giảm thiểu nếu được sử dụng hệ thốngï
CAD/CAE trong quá trình này.


CHƯƠNG I

21

2.2.2 Quá trình thiết kế mẫu ảo (không sử dụng CAE)
Quá trình thiết kế được trợ giúp bằng các phần mềm CAD mô hình thiết kế
được tạo ra trên máy tính bằng các phầm mềm CAD, sau đó sản phẩm thiết kế
được phân tích kiểm tra độ bền và những thuộc tính vật lý từ mô hình vật lý để
phát hiện những sai sót kỹ thuật trong quá trình thiết kế.
Phương pháp này rút ngắn được thời gian thiết kế nhưng vẫn còn tốn nhiều chi
phí. Vì nếu có những sai sót hay mô hình thiết kế không đạt yêu cầu về kỹ thuật
thì quá trình thiết kế phải sửa đổi và phải thực hiện lại quá trình kiểm tra, tạo
mẫu vật lý. Quáù trình này sẽ được lặp lại nhiều lần cho đến khi mẫu thiết kế đạt
được yêu cầu kỹ thuật.
Thiết kế ý tưởng

Xây dựng mẫu ảo

Thể hiện kích thước và
mô phỏng

Đạt yêu cầu ?

Không đạt

Sửa đổi mẫu vật lý

Đạt
Tạo mẫu vật lý

Phân tích và kiểm tra
Không đạt
Đạt yêu cầu ?

Sửa đổi mẫu vật lý

Đạt
Sản xuất
Hình 2.5: Quá trình thiết kế mẫu ảo (không sử dụng CAE)


22

CHƯƠNG I

2.2.3 Quá trình thiết kế mẫu ảo (Có sử dụng CAE)
Mô hình thiết kế cũng được thực hiện trên máy tính bằng các phần mềm
CAD, sau đó mô hình này được chuyển sang phần mềm CAE để phân tích độ
bền và những thuộc tính kỹ thuật của sản phẩm (bao gồm cả việc chọn lựa vật
liệu, khả năng chịu được tải trọng .v.v).
Trong giai đoạn thiết kế thì mô hình thiết kế đã được kiểm tra và phân tích do
đó có sự phản hồi về quá trình thiết kế, sau đó mô hình thiết kế được sửa đổi và
phân tích lại cho đến khi đạt được sản phẩm tối ưu. Sử dụng kết hợp hệ thống

CAD/CAE làm giảm thiểu thời gian và chi phí cho quá trình tạo mẫu thử nghiệm
dẫn đến làm giảm thiểu thời gian và chi phí một cách đáng kể trong quá trình
phát triển sản phẩm.
Ngày nay, các công ty phần mềm đã xây dựng các phần mềm có sự kết hợp
giữa các hệ thống CAD/CAE/CAM. Vì vậy, làm giảm thời gian thiết kế và
nhanh chóng đưa sản phẩm đến thị trường.

Hình 2.6: Quá trình thiết kế mẫu ảo (Có sử dụng CAE)
Kết luận:
Ứng dụng hệ thống CAD/CAE trong quá trình thiết kế đã mang lại hiệu quả
cao, công cụ CAD/CAE làm cho quá trình phát triển sản phẩm giảm cả về thời
gian và chi phí. Vì thế sản phẩm được đưa đến thị trường tiêu thụ nhanh hơn, sản
phẩm tốt hơn, chi phí thấp hơn.
Bên cạnh đó, sản phẩm quảng cáo dễ dàng tiếp cận với thị trường nhờ việc
mô phỏng bằng công cụ CAD trên máy tính. Hơn thế nữa, vốn đầu tư của nhà
sản xuất được xoay vòng nhanh chóng nhờ việc cắt giảm thời gian trong quá
trình thiết kế.


23

Hình 2.7: So sánh thời gian thiết kế giữa thiết kế truyền thống
và thiết kế sử dụng CAD/CAM/CAE [12]

CHƯƠNG I


CHƯƠNG II

24

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VỚI SỰ TR GIÚP CỦA MÁY TÍNH
(COMPUTER AIDED DESIGN)
3.1 NHỮNG CƠ SỞ CỦA CAD
Thiết kế trên máy tính có liên quan đến bất kì một hoạt động nào có sử dụng
máy tính để triển khai, phân tích hay cải tiến một bản vẽ kỹ thuật. Hệ thống đồ
họa máy tính tương tác là một hệ “hướng người sử dụng“, trong đó máy tính
được dùng để chế tạo ra, chuyển đổi và hiển thị dữ liệu dưới dạng các hình vẽ
hay biểu tượng. Người sử dụng truyền dữ liệu và ra lệnh cho cho máy tính thông
qua một số thiết bị vào như chuột, bàn phím. Còn máy tính thì liên lạc với con
người thông qua màn hình.
Một hệ thống CAD điển hình bao gồm:
Phần cứng: Gồm có bộ xử líù trung tâm, một hoặc nhiều trạm công tác kể cả
các hiển thị đồ họa và thiết bị ngoại vi như máy vẽ, máy in .v.v,
Phần mềm: Các chương trình máy tính để thực hiện việc xư û lí đồ họa trên hệ
thống. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ việc thiết kế như:
ProEngineer, Catia, Unigraphics.v.v.
3.1.1 Lợi ích của CAD
™ Nâng cao năng suất kỹ thuật.
™ Giảm thời gian.
™ Giảm số lượng nhân viên kỹ thuật.
™ Dễ cải tiến cho phù hợp với khách hàng.
™ Phản ứng nhanh với nhu cầu của thị trường.
™ Hạn chế lỗi sao chép một cách tối thiểu.
™ Độ chính xác thiết kế cao.

Mô hình

Mô phỏng động học

Solid

Phân tích

Tạo mẫu

Hình 3.1: Ứng dụng mô hình Solid trong các giai đoạn thiết kế [40]